从聚氨酯分散体中通过蒸馏除去酮连氮的制作方法

文档序号:16811513发布日期:2019-02-10 13:42阅读:182来源:国知局
水性聚氨酯分散体(pud)由于其特殊的性质而在涂料中起重要作用。除了聚氨酯的技术优点之外,水性pu分散体是有利的,因为它们仅含有少量或不含有机溶剂,因此有助于持久且环保的涂料。pud主要由两种不同的方法制备。在所谓的熔融分散方法中,首先在熔体中或通常借助于小含量的大多高沸点的溶剂来制备异氰酸酯官能的亲水预聚物。在下一步骤中,将预聚物分散在水中,并且为了增加摩尔质量,随后通常使用多胺或多酰肼在水中进行扩链。由于所用的溶剂通常具有高沸点,因此随后不能除去并保留在分散体中。在所谓的丙酮法中,同样首先制备异氰酸酯官能的预聚物,其随后溶解在丙酮中。随后的扩链此时在预聚物的丙酮溶液中进行,并且与其相关的粘度的增加可以通过加入的丙酮量来控制。然后用水进行分散,随后可通过蒸馏除去丙酮。由于在丙酮法中不进一步使用通常高沸点的溶剂,所得分散体基本上不含有机溶剂。用于扩链的化合物通常是多胺或多酰肼,并且肼已经被证明尤其值得作为常用化合物,因为与其反应的分散体在热负荷下具有显著更高的颜色稳定性。如果现在将肼加入到这种预聚物的丙酮溶液中,则通过丙酮和肼反应得到酮连氮(或丙酮吖嗪)而导致形成副产物(参见e.c.gilbert,journaloftheamericanchemicalsociety,51,3394-3409,1929)。形成的酮连氮由于其相对高的沸点(在标准压力下为134℃)而留在分散体中,并且取决于加工工艺而可以再次水解成肼,由于肼的致癌作用,这是巨大缺点。因此,非常需要一种方法,通过这种方法,作为副产物形成的酮连氮可以通过较少的努力从分散体中除去并且不损害聚氨酯分散体的品质。该目的通过在本发明的专利权利要求书和说明书中表征的实施方案来实现。气相的温度称为蒸气温度,液相的温度称为底部温度。在第一个实施方案中,本发明涉及从聚氨酯分散体中除去酮连氮的方法,该方法包括蒸馏该聚氨酯分散体的步骤,其中蒸气温度持续地超过实现除去丙酮时的温度最多10%。通过实验可以非常简单地确定实现除去丙酮时的蒸气温度。将蒸馏设备的底部加热至丙酮的沸点。蒸气温度首先低于底部温度,因为首先低沸点化合物被蒸发。在蒸馏过程中,蒸气温度持续升高,因为越来越高沸点的化合物被蒸发。通过分析在达到特定蒸气温度时取出的样品,可以容易地测定在给定蒸气温度下存在于聚氨酯分散体中的丙酮残余浓度。术语“除去丙酮”是指聚氨酯分散体的状态,其中丙酮含量低于1重量%。另外优选的是,除了上述条件之外,蒸气温度在蒸馏设备中存在的压力下比酮连氮的沸点低至少约15℃。优选仅短暂地超过上述温度限值,特别优选根本不超过。在本发明所基于的研究中,令人惊讶地发现,可以通过蒸馏除去酮连氮而不将蒸馏设备底部或蒸气的温度升高至酮连氮的沸点。由于在设备中存在的120mbar的压力下,在达到48℃的蒸气温度时完全除去丙酮,而在这些条件下酮连氮的沸点为约70℃,出乎意料的是,通过继续蒸馏直至51℃的蒸气温度,已经可以除去最初存在的酮连氮的大于90%。术语“除去酮连氮”是指聚氨酯分散体的状态,其中酮连氮的残留浓度优选小于1000ppm,更优选小于500ppm,甚至更优选小于300ppm,甚至更优选小于200ppm,最优选小于100ppm。进一步优选的是,通过本发明的方法除去最初存在于聚氨酯分散体中的酮连氮的至少90%。液体沸点对环境压力的依赖性是本领域技术人员公知的,因此本领域技术人员能够容易地确定对于蒸馏设备中不同压力而言的如上特定的温度限值。表1通过举例列出了酮连氮在若干压力下的沸点。表1:压力[mbar]酮连氮的沸点[℃]10001335001072508512569在本发明的一个特别优选的实施方案中,蒸馏在最多140mbar,特别优选最多125mbar的压力下进行。蒸馏甚至更优选在115mbar至125mbar的压力下进行。在这种情况下,不持续地超过53℃的蒸气温度。蒸馏更优选在115mbar至125mbar的压力下进行。本领域技术人员知道蒸馏设备中的压力不必在整个蒸馏过程中处于上面所处的限值内。蒸馏过程可以根据本发明在环境压力下开始,然后在连续或逐步减小的压力下继续。在这种情况下,如果不损害蒸馏过程,短暂的压力上升是无害的。在本发明的一个优选实施方案中,不持续地超过53℃的底部温度。蒸馏优选在45℃的底部温度下开始。如本专利申请中所理解的,“持续地”超过温度限值表示在整个蒸馏过程中,超过所示的温度限值最多15分钟,更优选最多10分钟,最优选最多5分钟。以镜像方式,“仅短暂地”超过温度限值表示在整个蒸馏过程中超过所述温度限值最多15分钟,更优选最多10分钟,最优选最多5分钟。上述时间是指连续地或以分成至少两个单独阶段的形式超过温度的总时间。在本发明的一个特别优选的实施方案中,在达到实现除去丙酮时的蒸气温度后,继续蒸馏优选最多120分钟,更优选30分钟至180分钟,甚至更优选60分钟至150分钟,最优选90分钟至150分钟。通过本发明方法除去酮连氮的聚氨酯分散体优选通过引言中所述的丙酮法制备。通过本发明方法提纯的聚氨酯分散体由适合于制备聚氨酯分散体的预聚物通过扩链来制备。适用于本发明的预聚物通常是一种或多种多异氰酸酯与一种或多种异氰酸酯反应性化合物的反应产物,其中一种多异氰酸酯或多种多异氰酸酯以化学计量过量使用,以使得预聚物具有末端异氰酸酯基团。合适的预聚物可以进一步区分成疏水和亲水预聚物。被称为疏水预聚物的化合物是不具有亲水基团并因此不能溶解或分散在水中的那些。被称为亲水预聚物的化合物是具有共价键合的亲水基团的那些,其使该预聚物能够溶解或分散在水中。合适的多异氰酸酯是芳族、芳脂族、脂族或脂环族多异氰酸酯。也可以使用这类多异氰酸酯的混合物。合适的多异氰酸酯的实例是丁二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯(hdi)、1,5-五亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、2,2,4-和/或2,4,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、异构二(4,4'-异氰酸根合环己基)甲烷或其任何异构体含量的混合物、异氰酸根合甲基-1,8-辛烷二异氰酸酯、1,4-亚环己基二异氰酸酯、1,4-苯二异氰酸酯、2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、2,4'-或4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、三苯基甲烷-4,4',4'-三异氰酸酯或其具有氨基甲酸酯、异氰脲酸酯、脲基甲酸酯、缩二脲、脲二酮、亚氨代噁二嗪二酮结构的衍生物以及它们的混合物。优选六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和异构双(4,4'-异氰酸根合环己基)甲烷以及它们的混合物。在本发明的上下文中,异氰酸酯反应性的多元醇是指具有1-4,优选1.5-2.5,特别优选1.9-2.1个异氰酸酯反应性基团的化合物。合适的异氰酸酯反应性基团是本领域技术人员已知的基团,例如羟基、胺基、酰肼基或硫醇基,优选羟基或胺基,特别优选羟基。合适的多元醇的摩尔质量为40g/mol-13000g/mol,低分子量离散化合物和/或较高分子量的多分散化合物适合作为多元醇。低分子量化合物通常是离散化合物,其摩尔质量范围为40-499g/mol。较高分子量的化合物是具有分子量分布且其平均数均摩尔质量为500-13000,优选在700g/mol至4000g/mol,特别优选1000g/mol至3000g/mol的化合物。合适的低分子量多元醇是短链,即包含2至20个碳原子的脂族、芳脂族或脂环族的化合物。二醇的实例是乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、二丙二醇、三丙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、新戊二醇、2-乙基-2-丁基丙二醇、三甲基戊二醇、位置异构二乙基辛二醇、1,3-丁二醇、环己二醇、1,4-环己烷二甲醇、1,6-己二醇、1,2-和1,4-环己二醇、氢化双酚a(2,2-双(4-羟基环己基)丙烷)、2,2-二甲基-3-羟基丙酸(2,2-二甲基-3-羟基丙基酯)。优选1,4-丁二醇、1,4-环己烷二甲醇和1,6-己二醇。合适的三醇的实例是三羟甲基乙烷、三羟甲基丙烷或甘油,优选三羟甲基丙烷。二胺的实例是1,2-乙二胺、1,6-六亚甲基二胺、1,4-丁二胺和异佛尔酮二胺,特别优选1,2-乙二胺和异佛尔酮二胺。二酰肼的实例是草酸二酰肼、碳酰肼和己二酸二酰肼,特别优选碳酰肼和己二酸二酰肼。二硫醇的实例是1,2-乙二硫醇、1,3-丙二硫醇、1,4-丁二硫醇和1,6-己二硫醇。特别优选1,2-乙二硫醇和1,6-己二硫醇。优选使用的低分子量化合物是二醇。较高分子量的化合物是本身由单体组成并且除了通常末端的异氰酸酯反应性端基外还具有沿主链的其它官能团的化合物。合适的较高分子量多元醇是聚酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚醚多元醇、聚酯聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯聚丙烯酸酯多元醇、聚氨酯聚酯多元醇、聚氨酯聚醚多元醇、聚氨酯聚碳酸酯多元醇和聚酯聚碳酸酯多元醇、聚醚多胺和聚酰胺多胺,特别优选聚酯多元醇、聚醚多元醇和聚碳酸酯多元醇,特别优选聚酯多元醇。合适的聚酯多元醇通常由一种或多种脂族和/或芳族和/或芳脂族二羧酸与一种或多种脂族和/或芳族和/或芳脂族二醇组成,并通过缩聚方法制备。具有良好适用性的聚酯多元醇的实例是二-和任选的三-和四醇与二-和任选的三-和四羧酸或羟基羧酸或内酯的已知缩聚物。代替游离的多元羧酸,也可以使用相应的多元羧酸酐或低级醇的相应多元羧酸酯来制备聚酯。合适的二醇的实例是乙二醇、丁二醇、二乙二醇、三乙二醇、聚亚烷基二醇如聚乙二醇,以及丙-1,2-二醇、丙-1,3-二醇、丁-1,3-二醇、丁-1,4-二醇、己-1,6-二醇和异构体、新戊二醇或羟基特戊酸新戊二醇酯,其中优选后面三种化合物。为了实现<2的官能度,可以任选地使用一定含量的官能度为3的多元醇,可提及的实例是三羟甲基丙烷、甘油、赤藓糖醇、季戊四醇、三羟甲基苯或异氰脲酸三羟乙基酯。可考虑的二羧酸是例如邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、四氢邻苯二甲酸、六氢邻苯二甲酸、环己烷二甲酸、己二酸、壬二酸、癸二酸、戊二酸、四氯邻苯二甲酸、马来酸、富马酸、衣康酸、丙二酸、辛二酸、2-甲基琥珀酸、琥珀酸、3,3-二乙基戊二酸、2,2-二甲基琥珀酸。这些酸的酸酐同样可用,只要它们存在。为了本发明的目的,酸酐因此被表述“酸”覆盖。如果多元醇的平均官能度≥2,也可以使用一元羧酸如苯甲酸和己烷甲酸。优选饱和脂族或芳族酸,例如己二酸或间苯二甲酸。可体积的任选以较少量一起使用的多元羧酸是偏苯三酸。可一起用作制备具有末端羟基的聚酯多元醇的共反应物的羟基羧酸是例如羟基己酸、羟基丁酸、羟基癸酸、羟基硬脂酸等。可用的内酯尤其是ε-己内酯、丁内酯和同系物。优选基于丁二醇和/或新戊二醇和/或己二醇和/或乙二醇和/或二乙二醇与己二酸和/或邻苯二甲酸和/或间苯二甲酸的聚酯多元醇b)。特别优选基于丁二醇和/或新戊二醇和/或己二醇与己二酸和/或邻苯二甲酸的聚酯多元醇b)。作为聚醚多元醇,可例如提及氧化苯乙烯、环氧乙烷、环氧丙烷、四氢呋喃、环氧丁烷、表氯醇的加聚产物及其混合加成和接枝产物,以及通过多元醇或其混合物的缩合获得的聚醚多元醇和通过多元醇、胺和氨基醇的烷氧基化获得的聚醚多元醇。合适的羟基官能聚醚具有1.5至6.0,优选1.8至3.0的oh官能度,50至700,优选100至600mgkoh/g固体的oh值和106至4000g/mol,优选200至3500的分子量mn,例如羟基官能起始剂分子,例如乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、三羟甲基丙烷、甘油、季戊四醇、山梨糖醇或它们的混合物以及其它羟基官能化合物与环氧丙烷或环氧丁烷的烷氧基化产物。优选的聚醚组分b)是分子量为300至4000g/mol的聚环氧丙烷多元醇和聚环氧丁烷多元醇。在这种情况下,特别低分子量的聚醚多元醇在相应高的oh含量下可以是水溶性的。然而,特别优选摩尔质量为500-3000g/mol的非水溶性聚环氧丙烷多元醇和聚环氧丁烷多元醇及其混合物。可考虑的聚碳酸酯多元醇可通过碳酸衍生物,例如碳酸二苯酯、碳酸二甲酯或光气与二醇的反应来获得。这类可考虑的二醇是例如乙二醇、丙-1,2-和1,3-二醇、丁-1,3-和1,4-二醇、己-1,6-二醇、辛-1,8-二醇、新戊二醇、1,4-双羟甲基环己烷、2-甲基丙-1,3-二醇、2,2,4-三甲基戊-1,3-二醇、二丙二醇、聚丙二醇、二丁二醇、聚丁二醇、双酚a、四溴双酚a以及内酯改性的二醇。优选地,二醇组分含有40重量%至100重量%的己-1,6-二醇和/或己二醇衍生物,优选为除了末端oh基团外还具有醚或酯基团的那些,例如通过1摩尔己二醇与至少1摩尔,优选1至2摩尔ε-己内酯的反应或通过己二醇与其本身的醚化以产生二-或三己二醇而获得的产物。也可以使用聚醚聚碳酸酯多元醇。优选基于碳酸二甲酯和己二醇和/或丁二醇和/或ε-己内酯的聚碳酸酯多元醇b)。非常特别优选基于碳酸二甲酯和己二醇和/或ε-己内酯的聚碳酸酯多元醇。亲水预聚物进一步包含离子基团和/或非离子亲水基团,以确保所得聚氨酯分散体充分分散在水中。在这种情况下,离子基团可以是阳离子或阴离子性质的。起阳离子、阴离子或非离子分散作用的化合物是包含例如锍、铵、鏻、羧酸根、磺酸根或膦酸根基团或可通过成盐转化成上述基团的基团(潜在离子基团)或聚醚基团并且可以通过存在的异氰酸酯反应性基团而并入到大分子中的化合物。可以以相对于成盐基团而言化学计量或过量地加入对于成盐所需的中和剂。为了产生阴离子基团,加入有机碱如叔胺、或无机碱如碱金属氢氧化物或氨。在这种情况下,优选使用叔胺如三乙胺、三乙醇胺或二甲基乙醇胺。优选的合适的异氰酸酯反应性基团是羟基和胺基。合适的离子或潜在离子化合物是例如单-和二羟基羧酸、二羟基二羧酸、单-和二氨基羧酸、单-和二羟基磺酸、单-和二氨基磺酸以及单-和二羟基膦酸或单-和二氨基膦酸及其盐如二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、羟基特戊酸、n-(2-氨基乙基)丙氨酸、2-(2-氨基乙基氨基)乙磺酸、乙二胺丙基-或-丁基磺酸、1,2-或1,3-丙二胺乙基磺酸、苹果酸、柠檬酸、乙醇酸、乳酸、甘氨酸、丙氨酸、牛磺酸、赖氨酸、3,5-二氨基苯甲酸、ipdi和丙烯酸的加成产物(ep-a0916647,实施例1)及其碱金属盐和/或铵盐;亚硫酸氢钠与丁-2-烯-1,4-二醇的加合物、聚醚磺酸盐、2-丁烯二醇和nahso3的丙氧基化加合物,其描述于例如de-a2446440(第5-9页,式i-iii),以及可以转化成阳离子基团的单元例如n-甲基二乙醇胺,作为亲水的形成组分。优选的离子或潜在离子化合物是具有羧基或羧酸根和/或磺酸根基团和/或铵基团的化合物。优选的化合物是聚醚磺酸盐、二羟甲基丙酸、酒石酸和二羟甲基丁酸,特别优选聚醚磺酸盐和二羟甲基丙酸。合适的非离子亲水化化合物是例如含有至少一个羟基或氨基的聚氧化烯醚。这些聚醚含有30重量%至100重量%含量的衍生自环氧乙烷的单元。可考虑的是线性结构的官能度为1至3的聚醚以及通式(i)的化合物,其中r1和r2各自彼此独立地为二价脂族、脂环族或芳族基团,其具有1-18个碳原子并且可被氧和/或氮原子中断,且r3是烷氧基封端的聚环氧乙烷基团。非离子亲水化化合物例如也是一价聚环氧烷聚醚醇,其具有每分子统计平均5至70,优选7至55个环氧乙烷单元,如可通过本身已知的方式通过合适起始剂分子的烷氧基化来获得(例如在ullmannsencyclopädiedertechnischenchemie,第4版,第19卷,verlagchemie,weinheim,第31-38页)。合适的起始剂分子是例如饱和一元醇,例如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、异构戊醇、己醇、辛醇和壬醇、正癸醇、正十二烷醇、正十四烷醇、正十六烷醇、正十八烷醇、环己醇、异构甲基环己醇或羟甲基环己烷、3-乙基-3-羟甲基氧杂环丁烷或四氢糠醇,二乙二醇单烷基醚如二乙二醇单丁醚,不饱和醇如烯丙醇、1,1-二甲基烯丙醇或油醇,芳香醇如苯酚、异构甲酚或甲氧基酚,芳脂族醇如苄醇、茴香醇或肉桂醇,仲单胺如二甲胺、二乙胺、二丙胺、二异丙胺、二丁胺、二(2-乙基己基)胺、n-甲基-和n-乙基环己胺或二环己胺,和杂环仲胺如吗啉、吡咯烷、哌啶或1h-吡唑。优选的起始剂分子是饱和一元醇。特别优选使用二乙二醇单丁醚作为起始剂分子。适用于烷氧基化反应的环氧烷尤其是环氧乙烷和环氧丙烷,它们可以以任何顺序或以混合物形式用于烷氧基化反应。聚环氧烷聚醚醇是纯聚环氧乙烷聚醚或混合聚环氧烷聚醚,其中环氧烷单元的至少30摩尔%,优选至少40摩尔%由环氧乙烷单元构成。优选的非离子化合物是单官能混合聚环氧烷聚醚,其具有至少40摩尔%的环氧乙烷单元和最多60摩尔%的环氧丙烷单元。特别优选单羟基官能的烷氧基聚乙二醇如mpeg750(dowchemical)和lb25(bayer)和具有侧向聚环氧乙烷单元的二羟基官能化合物如ymern120(perstorp)或tegomerd3404。nco基团与异氰酸酯反应性基团的摩尔比在此可以为1.05-4.00,优选1.2-3.0,特别优选1.4-2.5。通过首先在反应容器中装入相应的多元醇或不同多元醇的混合物,然后在升高的温度下加入多异氰酸酯或多异氰酸酯混合物来制备预聚物。如果使用多元醇和/或多异氰酸酯的混合物,则也可以在不同的时间点加入各共反应物,以实现预聚物的特定结构。在这种情况下,反应可以在熔体中或在合适的惰性溶剂如丙酮或丁酮中进行。此处的反应温度为50℃至130℃,反应时间为1h–24h。通过使用合适的催化剂可以加速氨基甲酸酯化反应。适用于此的是本领域技术人员已知的催化剂,例如三乙胺、1,4-二氮杂双环[2,2,2]-辛烷、二辛酸锡、二月桂酸二丁基锡或二辛酸铋,它们最初加入或在稍后阶段计量加入。优选二月桂酸二丁基锡。然后通常在nco含量不再变化时终止反应,在这种情况下通常通过滴定控制反应。为了确保预聚物的进一步加工,低粘度预聚物通常是有利的,对此,如果在制备过程中没有发生这一点,将预聚物溶解在合适的溶剂中。低粘度预聚物或预聚物溶液是指在40s-1的剪切速率下粘度<104mpas的那些体系。在这种情况下,预聚物溶液优选具有>40%的固含量,并且丙酮优选用作溶剂。对于本发明方法,优选的合适聚氨酯分散体是其中扩链由肼实现的那些,因为在这种情况下酮连氮可作为副产物形成。以下实施例仅用于说明本发明。它们不应以任何方式限制专利权利要求的保护范围。实施例1:粗分散体的制备如下制备粗分散体:将聚酯多元醇和摩尔质量<400g/mol的其它多元醇首先加入聚合反应器中并加热至70℃。然后计量加入多异氰酸酯混合物并将反应器内部温度升至100℃。将反应混合物在100℃下搅拌直至达到4.47重量%的理论nco值。然后将所得异氰酸酯官能的预聚物冷却至60℃并溶解在丙酮中。在丙酮中完全溶解后,将预聚物溶液转移到蒸馏反应器中,并在40℃下在搅拌下加入氨基乙基氨基乙磺酸钠盐与肼的混合物的水溶液以用于扩链,然后继续搅拌另外15分钟。最后,用水进行分散。微乳状聚氨酯粗分散体的ph值为6.9,固含量为23.8重量%。实施例2(对比):粗分散体的常规蒸馏在蒸馏反应器中将粗分散体加热至40℃。然后施加真空,其逐步降低至120mbar。达到120mbar后,底部温度和蒸气温度连续增加。达到48.5℃的蒸气温度时,分散体的丙酮含量低于1重量%,并终止蒸馏。蒸馏结束时的酮连氮含量为1100ppm。实施例3:本发明的蒸馏方法在蒸馏反应器中将粗分散体加热至40℃。然后施加真空,其逐步降低至120mbar。达到120mbar后,底部温度和蒸气温度连续增加。达到48.5℃的蒸气温度后,在120mbar的不变压力下经2小时的时间将底部温度升至51℃。在本发明的蒸馏方法结束时,酮连氮含量为65ppm。当前第1页12
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